JP4454781B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板等の基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置およびそれに用いられる電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体デバイスの製造プロセスにおいては、被処理基板である半導体ウエハに対して、エッチングやスパッタリング、ＣＶＤ（化学気相成長）等のプラズマ処理が多用されている。
【０００３】
このようなプラズマ処理を行うためのプラズマ処理装置としては、種々のものが用いられているが、その中でも容量結合型平行平板プラズマ処理装置が主流である。
【０００４】
容量結合型平行平板プラズマ処理装置は、チャンバー内に一対の平行平板電極（上部および下部電極）を配置し、処理ガスをチャンバー内に導入するとともに、電極の少なくとも一方に高周波を印加して電極間に高周波電界を形成し、この高周波電界により処理ガスのプラズマを形成して半導体ウエハに対してプラズマ処理を施す。
【０００５】
このような容量結合型平行平板プラズマ処理装置により半導体ウエハ上の膜、例えば酸化膜をエッチングする場合には、チャンバー内を中圧にして、中密度プラズマを形成することにより、最適ラジカル制御が可能であり、それによって適切なプラズマ状態を得ることができ、高い選択比で、安定性および再現性の高いエッチングを実現している。
【０００６】
しかしながら、近年、ＵＬＳＩにおけるデザインルールの微細化がますます進み、ホール形状のアスペクト比もより高いものが要求されており、酸化膜のエッチング等において従来の条件では必ずしも十分とはいえなくなりつつある。
【０００７】
そこで、印加する高周波電力の周波数を上昇させ、良好なプラズマの解離状態を維持しつつ、高密度プラズマを形成することが試みられている。これにより、より低圧の条件下で適切なプラズマを形成することができるので、さらなるデザインルールの微細化に適切に対応することが可能となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本発明者の検討結果によれば、このようなプラズマ処理装置においては、上部電極が導電体または半導体であるため、以下のような不都合が生じることが判明した。
【０００９】
上述したように高密度プラズマを形成するために印加周波数を上昇させると、高周波が印加される電極における表面のインダクタンスを無視することができなくなり、電極中央での電界が強くなって径方向での電界分布が不均一になる。
【００１０】
このように電界分布が不均一になるとプラズマ密度が不均一となってエッチングレート分布が不均一となるため、上記いずれかの電界分布不均一の原因を取り除いてエッチングレート分布を均一にすることが必要となる。
【００１１】
しかしながら、従来、このような高密度プラズマを用いた場合の問題点が必ずしも明確に認識されていたわけではなく、上記のような電界分布不均一を解消しようとする試みは未だ十分になされていないのが現状である。
【００１２】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、より微細化に対応可能な高密度プラズマを用いたプラズマ処理において、電極表面における電界分布の不均一を小さくすることが可能であり、均一なプラズマを生成することができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、チャンバー内に第１および第２の電極を互いに平行に設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ前記第１の電極に高周波電力を供給し、これら電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、このプラズマにより被処理基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、前記第１の電極は、第２の電極に対向するように設けられた、導電体または半導体で構成された電極板と、この電極板の第２の電極側と反対側の面に設けられ電極板を支持する導電性の支持体と、この支持体の中央部の凹部に設けられた誘電体部材とを有し、前記誘電体部材は、供給される高周波電力の周波数において共振が生じ、かつその中に電極板に対して直交する電界が生じるようにその寸法および誘電率が決定されることを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【００１４】
本発明はまた、チャンバー内に第１および第２の電極を互いに平行に設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ前記第１の電極に高周波電力を供給し、これら電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、このプラズマにより被処理基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、前記第１の電極は、第２の電極に対向するように設けられた、導電体または半導体で構成された電極板と、この電極板の第２の電極側と反対側の面に設けられ電極板を支持する導電性の支持体と、支持体の中央部に設けられた空洞部とを有し、前記空洞部は、供給される高周波電力の周波数において共振が生じ、かつその中に電極板に対して直交する電界が生じるようにその寸法が決定されることを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【００１５】
上記プラズマ装置において、電極板における以下の（１）式で表されるスキンデプスδが、電極板の厚さよりも大きいことが好ましい。
δ＝（２ρ／ωμ）１／２ ……（１）
ただし、ω：高周波電力の角周波数（＝２πｆ（ｆ：周波数））、ρ：電極板の比抵抗、μ：電極板の透磁率
【００１６】
この際に、電極板の比抵抗が０．１Ω・ｍ以上、さらには０．３〜０．７５Ω・ｍであることが好ましい。また、前記誘電体部材の比誘電率が１〜１０であることが好ましい。
【００１７】
本発明においては、電極板の第２の電極側と反対側の面に設けられた導電性の支持体の中央部の凹部に誘電体部材を設け、供給される高周波電力の周波数において共振が生じ、かつその中に電極板に対して直交する電界が生じるように、誘電体部材の寸法もしくは誘電率が決定されるか、または電極板の第２の電極側と反対側の面に設けられた導電性の支持体の中央部に空洞部を設け、供給される高周波電力の周波数において共振が生じ、かつその中に電極板に対して直交する電界が生じるように、空洞部の寸法が決定されるが、このように誘電体部材または空洞部において共振が生じて電極板に対して直交する電界が発生する場合には、誘電体部材または空洞部の電界と電極の電界とが結合し、誘電体部材または空洞部の電界によって、電極板における誘電体部材直下または空洞部直下の電界強度、すなわち電極中心部の電界を制御することができる。したがって、電極表面の電界分布を均一にすることができ、プラズマの均一性を高めることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。このプラズマ処理装置１は、電極板が上下平行に対向し、一方にプラズマ形成用電源が接続された容量結合型平行平板エッチング装置として構成されている。
【００１９】
このプラズマ処理装置１は、例えば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形状に成形されたチャンバー２を有しており、このチャンバー２は保安接地されている。前記チャンバー２内の底部にはセラミックなどの絶縁板３を介して、被処理体、例えば半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）Ｗを載置するための略円柱状のサセプタ支持台４が設けられており、さらにこのサセプタ支持台４の上には、下部電極を構成するサセプタ５が設けられている。このサセプタ５にはハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が接続されている。
【００２０】
前記サセプタ支持台４の内部には、冷媒室７が設けられており、この冷媒室７には、冷媒が冷媒導入管８を介して導入され冷媒排出管９から排出されて循環し、その冷熱が前記サセプタ５を介して前記ウエハＷに対して伝熱され、これによりウエハＷの処理面が所望の温度に制御される。
【００２１】
前記サセプタ５は円板状に成形され、その上にウエハＷと略同形の静電チャック１１が設けられている。静電チャック１１は、絶縁材の間に電極１２が介在されており、電極１２に接続された直流電源１３から例えば１．５ｋＶの直流電圧が印加されることにより、例えばクーロン力によってウエハＷを静電吸着する。
【００２２】
そして、前記絶縁板３、サセプタ支持台４、サセプタ５、さらには前記静電チャック１１には、被処理体であるウエハＷの裏面に、伝熱媒体、例えばＨｅガスなどを供給するためのガス通路１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ５の冷熱がウエハＷに伝達されウエハＷが所定の温度に維持されるようになっている。
【００２３】
前記サセプタ５の上端周縁部には、静電チャック１１上に載置されたウエハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１５が配置されている。このフォーカスリング１５はシリコンなどの導電性材料からなっており、これによりエッチングの均一性が向上される。
【００２４】
前記サセプタ５の上方には、このサセプタ５と平行に対向して上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、絶縁材２５を介して、チャンバー２の上部に支持されており、下部電極としてのサセプタ５との対向面を構成し、多数の吐出孔２４を有する電極板２３と、この電極板２３のサセプタ５とは反対の面に設けられ、電極板２３を支持し、導電性材料、例えば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる水冷構造の電極支持体２２とによって構成されている。この電極２１の詳細な構成については後述する。なお、サセプタ５と上部電極２１とは、例えば１０〜６０ｍｍ程度離間している。
【００２５】
前記上部電極２１における電極支持体２２にはガス導入口２６が設けられ、さらにこのガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されており、このガス供給管２７には、バルブ２８、およびマスフローコントローラ２９を介して、処理ガス供給源３０が接続されている。処理ガス供給源３０から、プラズマ処理、例えばエッチングのための処理ガスが供給される。
【００２６】
処理ガスとしては、従来用いられている種々のものを採用することができ、例えばフロロカーボンガス（ＣｘＦｙ）やハイドロフロロカーボンガス（ＣｐＨｑＦｒ）のようなハロゲン元素を含有するガスを好適に用いることができる。他にＡｒ、Ｈｅ等の希ガスやＮ２を添加してもよい。
【００２７】
前記チャンバー２の底部には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、これによりチャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、チャンバー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開にした状態でウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送されるようになっている。
【００２８】
上部電極２１には、整合器４１を介して第１の高周波電源４０が接続されており、その際の給電は上部電極２１の上面中央部に接続された給電棒３３により行われる。また、上部電極２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波電源４０は、２７〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このように高い周波数を印加することによりチャンバー２内に好ましい解離状態でかつ高密度のプラズマを形成することができ、低圧条件下のプラズマ処理が可能となる。この例では、高周波電源４０として６０ＭＨｚのものを用いている。
【００２９】
下部電極としてのサセプタ５には、第２の高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が介在されている。この第２の高周波電源５０は１〜４ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このような範囲の周波数を印加することにより、被処理体であるウエハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えることができる。この例では、第２の高周波電源５０として２ＭＨｚのものを用いている。
【００３０】
次に、上部電極２１の構成について詳細に説明する。
図２は上部電極２１の構造の第１の例を模式的に示す断面図である。この例では、電極板２３の裏面、すなわち下部電極としてのサセプタ５とは反対側の面に設けられた電極支持体２２の中央部の凹部に電極板２３と接するように誘電体部材６１が設けられている。この誘電体部材６１は電極支持体そして、この誘電体部材６１は、上部電極２１に供給される高周波電力の周波数において共振が生じかつその中に電極板２３に対して直交する電界が生じるようにその寸法および誘電率が決定される。このように誘電体部材６１に共振が生じて電極板２３に対して直交する電界が生じる場合には、誘電体部材６１の電界と電極２３の電界とが結合し、誘電体部材６１の電界によって、電極板２３における誘電体部材６１直下、すなわち電極中心部の電界を制御することができる。
【００３１】
誘電体部材６１としては、比誘電率が１〜１０のものが好ましい。この範囲の比誘電率を示すものとして、石英（比誘電率３〜１０）、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミックス（比誘電率５〜１０）、テフロンやポリイミド等の樹脂（比誘電率２〜３）を挙げることができる。
【００３２】
図３は上部電極２１の第２の例を模式的に示す断面図である。この例では、電極支持体２２の電極板２３の裏面側の中央部に電極板２３に接するように空洞部６２が設けられている。この空洞部６２は誘電体（比誘電率＝１）として機能し、上部電極２１に供給される高周波電力の周波数において共振が生じかつその中に電極板２３に対して直交する電界が生じるようにその寸法が決定される。このように空洞部６２に共振が生じて電極板２３に対して直交する電界が生じる場合には、空洞部６２の電界と電極２３の電界とが結合し、空洞部６２の電界によって、電極板２３における空洞部６２直下、すなわち電極中心部の電界を制御することができる。
【００３３】
上述のように誘電体部材６１または空洞部６２の電界と電極２３の電界とを結合させるためには、電極板２３において高周波電力が供給される部分の電極板表面（電極板の下面）からの厚さ、すなわち以下の（１）式で表されるスキンデプスδが電極板２３の厚さよりも大きいことが好ましい。
δ＝（２ρ／ωμ）１／２ ……（１）
ただし、ω：高周波電力の角周波数（＝２πｆ（ｆ：周波数））、ρ：電極板の比抵抗、μ：電極板の透磁率
【００３４】
電極板２３はＳｉやＳｉＣ等の導電体または半導体で構成されている。上記スキンデプスδは電極板２３の抵抗が大きいほど大きくなるので、スキンデプスδを電極板２３の厚さよりも大きくする観点からは電極板２３は０．１Ω・ｍ以上の比抵抗を有していることが好ましい。より好ましくは０．３〜０．７５Ω・ｍである。このように電極板２３を比較的高抵抗にするためには、電極板２３がＳｉ製の場合には例えばＢのドーパント量を調整し、ＳｉＣ製の場合には例えば焼結時の圧力を調整する。
【００３５】
次に、以上のような上部電極２１を備えたプラズマ処理装置１における処理動作について、ウエハＷに形成された酸化膜をエッチングする場合を例にとって説明する。
【００３６】
まず、被処理体であるウエハＷは、ゲートバルブ３２が開放された後、図示しないロードロック室からチャンバー２内へと搬入され、静電チャック１１上に載置される。そして、高圧直流電源１３から直流電圧が印加されることによって、ウエハＷが静電チャック１１上に静電吸着される。次いで、ゲートバルブ３２が閉じられ、排気機構３５によって、チャンバー２内が所定の真空度まで真空引きされる。
【００３７】
その後、バルブ２８が開放されて、処理ガス供給源３０から処理ガスがマスフローコントローラ２９によってその流量が調整されつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６を通って上部電極２１の内部へ導入され、さらに電極板２３の吐出孔２４を通って、図１の矢印に示すように、ウエハＷに対して均一に吐出され、チャンバー２内の圧力が所定の値に維持される。
【００３８】
そして、その後、第１の高周波電源４０から２７〜１５０ＭＨｚ、例えば６０ＭＨｚの高周波が上部電極２１に印加される。これにより、上部電極２１と下部電極としてのサセプタ５との間に高周波電界が生じ、処理ガスが解離してプラズマ化する。
【００３９】
他方、第２の高周波電源５０からは、１〜４ＭＨｚ、例えば２ＭＨｚの高周波が下部電極であるサセプタ５に印加される。これにより、プラズマ中のイオンがサセプタ５側へ引き込まれ、イオンアシストによりエッチングの異方性が高められる。
【００４０】
このように、上部電極２１に印加する高周波の周波数を２７ＭＨｚよりも高くすることにより、プラズマ密度を上げることができるが、従来の上部電極構造では、印加周波数を上昇させた際の電極表面の径方向のインダクタンスの影響を受けて電極板下面での電界の不均一が生じる。
【００４１】
このような電界の不均一が生じる原因について図４および図５を参照して説明する。従来の電極２１′の電極板２３′は、比抵抗が０．０２Ω・ｍ程度であり、高周波電源から給電棒３３′を介して供給される高周波電流が高周波数化すると、表皮効果により電極の極表面にしか電力が供給されず、図４に示すように、高周波電力は給電棒３３′の表面、電極支持体２２′の上面、電極支持体２２′の側面、電極板２３′の側面を通ってプラズマ接触面である電極板２３′の下面に達する。この場合に、給電棒３３′は上部電極２１′の中心に存在しているため、電極板２３′下面のエッジ部ではどこも電力が同じ位相であり、図５に示すように、電極板２３′のエッジ部から同位相で中心方向へ徐々に電力が供給されるため、電極板２３′の中心とエッジ部とで位相差ｄ／λ（λは電極表面波の波長、ｄは電極の半径）が生じる。印加周波数が高くなると、電極板２３′下面の径方向のインダクタンスを無視できなくなり、上記位相差による干渉作用によって、電極板２３′下面の中心部分の電界強度がエッジ部分の電界強度よりも高くなる。また、中心位置はプラズマと接しているため、ＲＦ等価回路的には開放端となっている。したがって、電極板２３′下面において中心部の電界が強くなって電界分布に定在波的な不均一が生じる。これによりプラズマへ供給される電界分布が不均一となり、不均一なプラズマが形成される。
【００４２】
これに対して、本実施形態においては、上部電極２１の第１の例として、上述の図２に示すように、電極板２３の裏面側の面の中央部に誘電体部材６１を設け、上部電極２１に供給される高周波電力の周波数において共振が生じかつその中に電極板２３に対して直交する電界が生じるように誘電体部材６１の寸法および誘電率が決定されるようにしており、上部電極２１の第２の例として、上述の図３に示すように、電極支持体２２の電極板２３の裏面側の中央部に空洞部６２を設け、上部電極２１に供給される高周波電力の周波数において共振が生じかつその中に電極板２３に対して直交する電界が生じるように空洞部６２の寸法が決定されるようにしている。このように誘電体部材６１または空洞６２に共振が生じて電極板２３に対して直交する電界が生じる場合には、誘電体部材６１または空洞部６２の電界と電極２３の電界とが結合し、誘電体部材６１または空洞部６２の電界によって、電極板２３における誘電体部材６１直下、すなわち電極中心部の電界を制御することができ、電極板２３の下面における電界分布を均一にして、もって均一なプラズマを形成することができる。
【００４３】
この点についてさらに詳細に説明する。
スキンデプスδが電極板２３の厚さよりも大きくなると、電界が電極板２３を透過する。例えば、高周波電力の周波数が６０ＭＨｚ、電極板２３の厚さが１０ｍｍの場合、比抵抗が０．１Ω・ｍ以上となるとスキンデプスδが１０ｍｍ以上となる。このとき第１の例の誘電体部材６１および第２の例の空洞部６２はいずれも導電体で囲まれた状態となる。このように導電体で囲まれた誘電体が存在するとその寸法および誘電率によって決められる周波数で共振が生じる。また、空洞の場合にも比誘電率１の誘電体として機能し、その寸法によって決められる周波数で共振が生じる。
【００４４】
例えば誘電体部材６１または空洞部６２が円盤状の場合、共振の周波数はその径と厚さによって決定される。ここで、電極板２３の裏面に高さＬ、半径ａの円筒形の空洞部を形成する場合を考えると、共振における角周波数ω０は以下の（２）式によって求められる。
（ω０／ｃ）２＝ｋｌ ２＋ｎ２π２／Ｌ２ ……（２）
ただし、ｃは媒質中の光速度、ｋｌはＴＥモード時のＪｍ′（ｋｌａ）＝０、ＴＭモード時のＪｍ（ｋｌａ）＝０ の根から求められる。ここで、Ｊｍはベッセル関数であり、Ｊｍ′はベッセル関数の微分である。
【００４５】
今、空洞部６２の共振を、ＴＭモードのうち、薄い円盤状の空洞の上下面に電界が直交し、円盤の中央で電界強度が最大となるＴＭ０１０モードで考えると、ｎ＝０でありｋｌａ＝２．４であるから、以下の（３）式が成り立つ。
ω０＝ｃｋｌ＝ｃ（２．４／ａ） ……（３）
【００４６】
共振周波数をｆ０とすると、ω０＝２πｆ０であるから、（３）式より以下の（４）式が成り立つ。
ｆ０＝（ｃ／２π）・（２．４／ａ） ……（４）
空洞部の媒質を真空とすると半径ａが１００ｍｍ程度では共振周波数ｆ０はＧＨｚオーダーとなる。
【００４７】
空洞部６２の代わりに誘電体部材６１を用いる場合には、共振周波数ｆ０は、上記（４）式のｃの代わりに、ｖ＝１／（εμ）１／２で表されるｖを用いた以下の（５）式で表される。
ｆ０＝（１／（（εμ）１／２・２π））・（２．４／ａ） ……（５）
ただし、εは誘電体部材６１の比誘電率、μは誘電体部材６１の透磁率である。
【００４８】
しかし、誘電体部材６１および空洞部６２は、抵抗体（高抵抗の電極）に囲まれているため、電磁波の伝搬速度が遅くなり、共振周波数は低くなる。また、ＴＭ０１０モードのＱ値は以下の（６）式で与えられ、本実施形態のようにスキンデプスδが大きい場合には、Ｑ値が小さくなる。
Ｑ＝１／δ｛（１／ａ）＋（１／Ｌ）｝ ……（６）
一方、誘電体部材６１または空洞部６２に形成される電界強度は、共振周波数ｆ０を中心として例えば図６のように分布するが、Ｑ値は、このグラフにおいて半値幅をΔｆとすると、以下の（７）式で表される。
Ｑ＝ｆ０／２Δｆ ……（７）
したがって、半値幅Δｆが大きいほどＱ値は小さくなる。つまり、スキンデプスδが大きくＱ値が小さい場合には、図６のグラフの半値幅Δｆが大きくなり、誘電体部材６１または空洞部６２に形成される電界強度分布がブロードになる。したがって、共振周波数ｆ０よりも極めて低い６０ＭＨｚ程度の周波数においてもＴＭ０１０の共振モードの電磁界が励起されてくると考えられる。
【００４９】
誘電体部材６１または空洞部６２内で共振が生じ、電極板２３に対して直交する電界が発生すると、誘電体部材６１または空洞部６２内部の電界と電極板２３表裏の電界とが結合する。この場合に、図７に示すように、誘電体部材６１または空洞部６２を設けない場合の電極板２３表面の電界強度をＥ０とし、電極板２３における誘電体部材６１または空洞部６２の存在する部分直下における電極板２３表面の電界強度をＥ１とし、誘電体部材６１または空洞部６２に発生する電界強度をＥ２とすると、代数的にＥ１＝Ｅ０＋Ｅ２と表すことができるから、電極板２３において、誘電体部材６１または空洞部６２の存在する部分直下の電界強度を他の部分よりも抑制することができる。この場合の電界強度Ｅ２は、誘電体部材６１または空洞部６２の厚さＬ、径ａ、電極板の比抵抗、誘電体部材の比誘電率等によって調整することが可能である。
【００５０】
このようにして誘電体部材６１または空洞部６２の電界を調整すれば、電極板２３における誘電体部材６１直下、すなわち電極中心部の電界を制御することができ、電極板２３の下面における電界分布を均一にすることができるのである。
【００５１】
このように、上記構造の上部電極２１を用いて、印加する高周波の周波数が上昇し、プラズマ密度が上昇した際に生じる電界分布の不均一の問題を解消することができるので、高密度でありながら均一なプラズマを形成することができる。したがって、本実施形態のようなプラズマエッチング装置の場合には、エッチングの均一性が向上し、一層のデザインルールの微細化に適切に対応することが可能となる。特に、印加周波数が２７ＭＨｚ以上で、プラズマ密度が１×１０１１個／ｃｍ３以上の場合に上記問題が生じやすく、以上のような上部電極構造はこのような場合に特に有効である。
【００５２】
次に、上部電極の電極板裏面に空洞部を形成した場合のシミュレーション結果について説明する。
まず、φ１４０ｍｍで厚さ１ｍｍの空洞部（真空）を形成した場合について、電極板の比抵抗をそれぞれ０．１Ω・ｍおよび０．９Ω・ｍにした場合における周波数と電界強度との関係についてシミュレーションした。その結果を図８に示す。図８は、横軸に周波数をとり、縦軸に空洞部形成部分における電界強度比Ｅ２／Ｅ０（図７参照）をとって、これらの関係を示すグラフである。この図から、比抵抗値を高くすることで空洞に発生する電界の割合が大きくなる周波数が低周波数側にシフトすることがわかる。
【００５３】
また、電極の比抵抗値および空洞部の径を変化させた場合における空洞部径と電極中心位置での電界の減衰との関係をシミュレーションした。この際に、高周波電力の周波数を６０ＭＨｚ、比誘電率εを１、空洞部の厚さを１ｍｍとした。その結果を図９に示す。図９は、横軸に空洞部の直径をとり、縦軸に電極板中心位置での電界減衰比Ｅ１／Ｅ０（図７参照）をとって、電極の比抵抗値を０．３、０．５，０．７５Ω・ｍとした場合におけるこれらの関係を示すグラフである。この図から、電極の比抵抗が高いほど、電極板中心位置における電界減衰能が大きく、しかも電界減衰がより小さい空洞部径から電界の減衰が生じていることが確認される。
【００５４】
さらにまた、空洞部の厚さを変化させたときの電極表面の電界強度分布をシミュレーションした。この際に、空洞部の直径を１４０ｍｍ、空洞部の比誘電率εを１、電極板の比抵抗を０．７５Ω・ｍ、周波数を６０ＭＨｚとした。その結果を図１０に示す。図１０は、横軸に電極中心からの距離をとり、縦軸に電極板の電界強度Ｅ１（図７参照）をとって、空洞部の厚さを変化させた場合の電界強度分布を示すグラフである。この図から、電界の抑制効果は電極中心から８０ｍｍまでの間で得られ、空洞部の厚さによって電界強度を抑制する効果が変化することがわかる。ここでは空洞部の厚さが０．３〜０．５ｍｍで効果が大きいという結果が得られた。
【００５５】
さらにまた、空洞部の代わりに誘電体部材を用い、誘電体の厚さを変化させたときの電極表面の電界強度分布をシミュレーションした。この際に、誘電体部材の直径を１４０ｍｍ、誘電体部材の比誘電率εを１０、電極板の比抵抗を０．７５Ω・ｍ、周波数を６０ＭＨｚとした。その結果を図１１に示す。図１１は、横軸に電極中心からの距離をとり、縦軸に電極板の電界強度Ｅ１（図７参照）をとって、誘電体部材の厚さを変化させた場合の電界強度分布を示すグラフである。この図から、電界の抑制効果は電極中心から６０ｍｍまでの間で得られ、空洞部の厚さによって電界強度を抑制する効果が変化することがわかる。ここでは誘電体部材の厚さが１〜３ｍｍと空洞部よりも厚い厚さ領域で効果が大きいという結果が得られた。
【００５６】
次に、本発明に基づいて作成した上部電極を用いて実験を行った結果について説明する。図１に示した装置を用い、電極板の比抵抗値を０．５Ω・ｍ、０．７５Ω・ｍとし、電極板裏面側の空洞部を形成しない電極、および空洞部の厚さを１ｍｍに固定してその径を５０ｍｍ、１００ｍｍ、１４０ｍｍ、２４０ｍｍとした電極を用いて２００ｍｍウエハの酸化膜をＣ４Ｈ８ガスでエッチングした。高周波電力の周波数は６０ＭＨｚとした。
【００５７】
その結果を図１２および図１３に示す。図１２および図１３は、それぞれ電極板の比抵抗が０．５Ω・ｍおよび０．７５Ω・ｍの場合におけるエッチングレート分布を示すグラフである。これらの図に示すように、電極板裏面に空洞部を形成しない場合には、ウエハの中央部でエッチングレートが高くなるが、電極板裏面に空洞部を形成することによりウエハ中央部でのエッチングレートが低下する傾向があることが確認された。そして、いずれの場合にも、空洞部の径が１４０ｍｍの場合に、エッチングレートがほぼ均一で、かつエッチングレートが高いことが確認された。
【００５８】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、上下電極に高周波を印加したが、上部電極のみに高周波を印加するタイプであってもよい。また、上部電極に２７〜１５０ＭＨｚの高周波を印加した場合について示したが、この範囲に限るものではない。さらに、被処理基板として半導体ウエハを用い、これにエッチングを施す場合について説明したが、これに限らず、処理対象としては液晶表示装置（ＬＣＤ）基板等の他の基板であってもよく、またプラズマ処理もエッチングに限らず、スパッタリング、ＣＶＤ等の他の処理であってもよい。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電極板の第２の電極側と反対側の面に設けられた導電性の支持体の中央部の凹部に誘電体部材を設け、供給される高周波電力の周波数において共振が生じ、かつその中に電極板に対して直交する電界が生じるように、誘電体部材の寸法もしくは誘電率が決定されるか、または電極板の第２の電極側と反対側の面に設けられた導電性の支持体の中央部に空洞部を設け、供給される高周波電力の周波数において共振が生じ、かつその中に電極板に対して直交する電界が生じるように、空洞部の寸法が決定されるが、このように誘電体部材または空洞部において共振が生じて電極板に対して直交する電界が発生する場合には、誘電体部材または空洞部の電界と電極の電界とが結合し、誘電体部材または空洞部の電界によって、電極板における誘電体部材直下または空洞部直下の電界強度、すなわち電極中心部の電界を制御することができる。したがって、電極表面の電界分布を均一にすることができ、プラズマの均一性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図。
【図２】上部電極の第１の例を模式的に示す断面図
【図３】上部電極の第２の例を模式的に示す断面図。
【図４】従来の上部電極における高周波電力の供給系路を模式的に示す断面図。
【図５】従来の上部電極における高周波電力の供給系路を模式的に示す底面図。
【図６】共振周波数とＱ値との関係を説明するためのグラフ。
【図７】電極板および誘電体部材または空洞部の電界強度を説明するための図。
【図８】周波数と電界強度比Ｅ２／Ｅ０との関係のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図９】空洞部の直径と電極板中心位置での電界減衰比Ｅ１／Ｅ０との関係のシミュレーション結果を、電極の比抵抗値を０．３、０．５，０．７５Ω・ｍとした場合について示すグラフ。
【図１０】空洞部の厚さを変化させた場合の電界強度分布を示すグラフ。
【図１１】誘電体部材の厚さを変化させた場合の電解強度分布を示すグラフ。
【図１２】電極板の比抵抗を０．５Ω・ｍとし、電極板裏面側の空洞部を形成しない電極、および空洞部の厚さを１ｍｍに固定してその径を５０ｍｍ、１００ｍｍ、１４０ｍｍ、２４０ｍｍとした電極を用いて２００ｍｍウエハの酸化膜をエッチングした場合のエッチングレート分布を示すグラフ。
【図１３】電極板の比抵抗を０．７５Ω・ｍとし、電極板裏面側の空洞部を形成しない電極、および空洞部の厚さを１ｍｍに固定してその径を５０ｍｍ、１００ｍｍ、１４０ｍｍ、２４０ｍｍとした電極を用いて２００ｍｍウエハの酸化膜をエッチングした場合のエッチングレート分布を示すグラフ。
【符号の説明】
１；プラズマ処理装置
２；チャンバー
５；サセプタ（第２の電極）
６；ハイパスフィルター
２１；上部電極（第１の電極）
２３；電極板
３０；処理ガス供給源
３５；排気装置
４０；第１の高周波電源
４２；ローパスフィルター
４１，５１；整合器
５０；第２の高周波電源
６１；誘電体部材
６２；空洞部
Ｗ；半導体ウエハ
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板等の基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置およびそれに用いられる電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体デバイスの製造プロセスにおいては、被処理基板である半導体ウエハに対して、エッチングやスパッタリング、ＣＶＤ（化学気相成長）等のプラズマ処理が多用されている。
【０００３】
このようなプラズマ処理を行うためのプラズマ処理装置としては、種々のものが用いられているが、その中でも容量結合型平行平板プラズマ処理装置が主流である。
【０００４】
容量結合型平行平板プラズマ処理装置は、チャンバー内に一対の平行平板電極（上部および下部電極）を配置し、処理ガスをチャンバー内に導入するとともに、電極の少なくとも一方に高周波を印加して電極間に高周波電界を形成し、この高周波電界により処理ガスのプラズマを形成して半導体ウエハに対してプラズマ処理を施す。
【０００５】
このような容量結合型平行平板プラズマ処理装置により半導体ウエハ上の膜、例えば酸化膜をエッチングする場合には、チャンバー内を中圧にして、中密度プラズマを形成することにより、最適ラジカル制御が可能であり、それによって適切なプラズマ状態を得ることができ、高い選択比で、安定性および再現性の高いエッチングを実現している。
【０００６】
しかしながら、近年、ＵＬＳＩにおけるデザインルールの微細化がますます進み、ホール形状のアスペクト比もより高いものが要求されており、酸化膜のエッチング等において従来の条件では必ずしも十分とはいえなくなりつつある。
【０００７】
そこで、印加する高周波電力の周波数を上昇させ、良好なプラズマの解離状態を維持しつつ、高密度プラズマを形成することが試みられている。これにより、より低圧の条件下で適切なプラズマを形成することができるので、さらなるデザインルールの微細化に適切に対応することが可能となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本発明者の検討結果によれば、このようなプラズマ処理装置においては、上部電極が導電体または半導体であるため、以下のような不都合が生じることが判明した。
【０００９】
上述したように高密度プラズマを形成するために印加周波数を上昇させると、高周波が印加される電極における表面のインダクタンスを無視することができなくなり、電極中央での電界が強くなって径方向での電界分布が不均一になる。
【００１０】
このように電界分布が不均一になるとプラズマ密度が不均一となってエッチングレート分布が不均一となるため、上記いずれかの電界分布不均一の原因を取り除いてエッチングレート分布を均一にすることが必要となる。
【００１１】
しかしながら、従来、このような高密度プラズマを用いた場合の問題点が必ずしも明確に認識されていたわけではなく、上記のような電界分布不均一を解消しようとする試みは未だ十分になされていないのが現状である。
【００１２】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、より微細化に対応可能な高密度プラズマを用いたプラズマ処理において、電極表面における電界分布の不均一を小さくすることが可能であり、均一なプラズマを生成することができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、チャンバー内に第１および第２の電極を互いに平行に設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ前記第１の電極に高周波電力を供給し、これら電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、このプラズマにより被処理基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、前記第１の電極は、第２の電極に対向するように設けられた、導電体または半導体で構成された電極板と、この電極板の第２の電極側と反対側の面に設けられ電極板を支持する導電性の支持体と、この支持体の中央部の凹部に設けられた誘電体部材とを有し、前記誘電体部材は、供給される高周波電力の周波数において共振が生じ、かつその中に電極板に対して直交する電界が生じるようにその寸法および誘電率が決定されることを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【００１４】
本発明はまた、チャンバー内に第１および第２の電極を互いに平行に設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ前記第１の電極に高周波電力を供給し、これら電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、このプラズマにより被処理基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、前記第１の電極は、第２の電極に対向するように設けられた、導電体または半導体で構成された電極板と、この電極板の第２の電極側と反対側の面に設けられ電極板を支持する導電性の支持体と、支持体の中央部に設けられた空洞部とを有し、前記空洞部は、供給される高周波電力の周波数において共振が生じ、かつその中に電極板に対して直交する電界が生じるようにその寸法が決定されることを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【００１５】
上記プラズマ装置において、電極板における以下の（１）式で表されるスキンデプスδが、電極板の厚さよりも大きいことが好ましい。
δ＝（２ρ／ωμ）１／２ ……（１）
ただし、ω：高周波電力の角周波数（＝２πｆ（ｆ：周波数））、ρ：電極板の比抵抗、μ：電極板の透磁率
【００１６】
この際に、電極板の比抵抗が０．１Ω・ｍ以上、さらには０．３〜０．７５Ω・ｍであることが好ましい。また、前記誘電体部材の比誘電率が１〜１０であることが好ましい。
【００１７】
本発明においては、電極板の第２の電極側と反対側の面に設けられた導電性の支持体の中央部の凹部に誘電体部材を設け、供給される高周波電力の周波数において共振が生じ、かつその中に電極板に対して直交する電界が生じるように、誘電体部材の寸法もしくは誘電率が決定されるか、または電極板の第２の電極側と反対側の面に設けられた導電性の支持体の中央部に空洞部を設け、供給される高周波電力の周波数において共振が生じ、かつその中に電極板に対して直交する電界が生じるように、空洞部の寸法が決定されるが、このように誘電体部材または空洞部において共振が生じて電極板に対して直交する電界が発生する場合には、誘電体部材または空洞部の電界と電極の電界とが結合し、誘電体部材または空洞部の電界によって、電極板における誘電体部材直下または空洞部直下の電界強度、すなわち電極中心部の電界を制御することができる。したがって、電極表面の電界分布を均一にすることができ、プラズマの均一性を高めることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。このプラズマ処理装置１は、電極板が上下平行に対向し、一方にプラズマ形成用電源が接続された容量結合型平行平板エッチング装置として構成されている。
【００１９】
このプラズマ処理装置１は、例えば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形状に成形されたチャンバー２を有しており、このチャンバー２は保安接地されている。前記チャンバー２内の底部にはセラミックなどの絶縁板３を介して、被処理体、例えば半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）Ｗを載置するための略円柱状のサセプタ支持台４が設けられており、さらにこのサセプタ支持台４の上には、下部電極を構成するサセプタ５が設けられている。このサセプタ５にはハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が接続されている。
【００２０】
前記サセプタ支持台４の内部には、冷媒室７が設けられており、この冷媒室７には、冷媒が冷媒導入管８を介して導入され冷媒排出管９から排出されて循環し、その冷熱が前記サセプタ５を介して前記ウエハＷに対して伝熱され、これによりウエハＷの処理面が所望の温度に制御される。
【００２１】
前記サセプタ５は円板状に成形され、その上にウエハＷと略同形の静電チャック１１が設けられている。静電チャック１１は、絶縁材の間に電極１２が介在されており、電極１２に接続された直流電源１３から例えば１．５ｋＶの直流電圧が印加されることにより、例えばクーロン力によってウエハＷを静電吸着する。
【００２２】
そして、前記絶縁板３、サセプタ支持台４、サセプタ５、さらには前記静電チャック１１には、被処理体であるウエハＷの裏面に、伝熱媒体、例えばＨｅガスなどを供給するためのガス通路１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ５の冷熱がウエハＷに伝達されウエハＷが所定の温度に維持されるようになっている。
【００２３】
前記サセプタ５の上端周縁部には、静電チャック１１上に載置されたウエハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１５が配置されている。このフォーカスリング１５はシリコンなどの導電性材料からなっており、これによりエッチングの均一性が向上される。
【００２４】
前記サセプタ５の上方には、このサセプタ５と平行に対向して上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、絶縁材２５を介して、チャンバー２の上部に支持されており、下部電極としてのサセプタ５との対向面を構成し、多数の吐出孔２４を有する電極板２３と、この電極板２３のサセプタ５とは反対の面に設けられ、電極板２３を支持し、導電性材料、例えば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる水冷構造の電極支持体２２とによって構成されている。この電極２１の詳細な構成については後述する。なお、サセプタ５と上部電極２１とは、例えば１０〜６０ｍｍ程度離間している。
【００２５】
前記上部電極２１における電極支持体２２にはガス導入口２６が設けられ、さらにこのガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されており、このガス供給管２７には、バルブ２８、およびマスフローコントローラ２９を介して、処理ガス供給源３０が接続されている。処理ガス供給源３０から、プラズマ処理、例えばエッチングのための処理ガスが供給される。
【００２６】
処理ガスとしては、従来用いられている種々のものを採用することができ、例えばフロロカーボンガス（ＣｘＦｙ）やハイドロフロロカーボンガス（ＣｐＨｑＦｒ）のようなハロゲン元素を含有するガスを好適に用いることができる。他にＡｒ、Ｈｅ等の希ガスやＮ２を添加してもよい。
【００２７】
前記チャンバー２の底部には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、これによりチャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、チャンバー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開にした状態でウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送されるようになっている。
【００２８】
上部電極２１には、整合器４１を介して第１の高周波電源４０が接続されており、その際の給電は上部電極２１の上面中央部に接続された給電棒３３により行われる。また、上部電極２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波電源４０は、２７〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このように高い周波数を印加することによりチャンバー２内に好ましい解離状態でかつ高密度のプラズマを形成することができ、低圧条件下のプラズマ処理が可能となる。この例では、高周波電源４０として６０ＭＨｚのものを用いている。
【００２９】
下部電極としてのサセプタ５には、第２の高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が介在されている。この第２の高周波電源５０は１〜４ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このような範囲の周波数を印加することにより、被処理体であるウエハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えることができる。この例では、第２の高周波電源５０として２ＭＨｚのものを用いている。
【００３０】
次に、上部電極２１の構成について詳細に説明する。
図２は上部電極２１の構造の第１の例を模式的に示す断面図である。この例では、電極板２３の裏面、すなわち下部電極としてのサセプタ５とは反対側の面に設けられた電極支持体２２の中央部の凹部に電極板２３と接するように誘電体部材６１が設けられている。この誘電体部材６１は電極支持体そして、この誘電体部材６１は、上部電極２１に供給される高周波電力の周波数において共振が生じかつその中に電極板２３に対して直交する電界が生じるようにその寸法および誘電率が決定される。このように誘電体部材６１に共振が生じて電極板２３に対して直交する電界が生じる場合には、誘電体部材６１の電界と電極２３の電界とが結合し、誘電体部材６１の電界によって、電極板２３における誘電体部材６１直下、すなわち電極中心部の電界を制御することができる。
【００３１】
誘電体部材６１としては、比誘電率が１〜１０のものが好ましい。この範囲の比誘電率を示すものとして、石英（比誘電率３〜１０）、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミックス（比誘電率５〜１０）、テフロンやポリイミド等の樹脂（比誘電率２〜３）を挙げることができる。
【００３２】
図３は上部電極２１の第２の例を模式的に示す断面図である。この例では、電極支持体２２の電極板２３の裏面側の中央部に電極板２３に接するように空洞部６２が設けられている。この空洞部６２は誘電体（比誘電率＝１）として機能し、上部電極２１に供給される高周波電力の周波数において共振が生じかつその中に電極板２３に対して直交する電界が生じるようにその寸法が決定される。このように空洞部６２に共振が生じて電極板２３に対して直交する電界が生じる場合には、空洞部６２の電界と電極２３の電界とが結合し、空洞部６２の電界によって、電極板２３における空洞部６２直下、すなわち電極中心部の電界を制御することができる。
【００３３】
上述のように誘電体部材６１または空洞部６２の電界と電極２３の電界とを結合させるためには、電極板２３において高周波電力が供給される部分の電極板表面（電極板の下面）からの厚さ、すなわち以下の（１）式で表されるスキンデプスδが電極板２３の厚さよりも大きいことが好ましい。
δ＝（２ρ／ωμ）１／２ ……（１）
ただし、ω：高周波電力の角周波数（＝２πｆ（ｆ：周波数））、ρ：電極板の比抵抗、μ：電極板の透磁率
【００３４】
電極板２３はＳｉやＳｉＣ等の導電体または半導体で構成されている。上記スキンデプスδは電極板２３の抵抗が大きいほど大きくなるので、スキンデプスδを電極板２３の厚さよりも大きくする観点からは電極板２３は０．１Ω・ｍ以上の比抵抗を有していることが好ましい。より好ましくは０．３〜０．７５Ω・ｍである。このように電極板２３を比較的高抵抗にするためには、電極板２３がＳｉ製の場合には例えばＢのドーパント量を調整し、ＳｉＣ製の場合には例えば焼結時の圧力を調整する。
【００３５】
次に、以上のような上部電極２１を備えたプラズマ処理装置１における処理動作について、ウエハＷに形成された酸化膜をエッチングする場合を例にとって説明する。
【００３６】
まず、被処理体であるウエハＷは、ゲートバルブ３２が開放された後、図示しないロードロック室からチャンバー２内へと搬入され、静電チャック１１上に載置される。そして、高圧直流電源１３から直流電圧が印加されることによって、ウエハＷが静電チャック１１上に静電吸着される。次いで、ゲートバルブ３２が閉じられ、排気機構３５によって、チャンバー２内が所定の真空度まで真空引きされる。
【００３７】
その後、バルブ２８が開放されて、処理ガス供給源３０から処理ガスがマスフローコントローラ２９によってその流量が調整されつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６を通って上部電極２１の内部へ導入され、さらに電極板２３の吐出孔２４を通って、図１の矢印に示すように、ウエハＷに対して均一に吐出され、チャンバー２内の圧力が所定の値に維持される。
【００３８】
そして、その後、第１の高周波電源４０から２７〜１５０ＭＨｚ、例えば６０ＭＨｚの高周波が上部電極２１に印加される。これにより、上部電極２１と下部電極としてのサセプタ５との間に高周波電界が生じ、処理ガスが解離してプラズマ化する。
【００３９】
他方、第２の高周波電源５０からは、１〜４ＭＨｚ、例えば２ＭＨｚの高周波が下部電極であるサセプタ５に印加される。これにより、プラズマ中のイオンがサセプタ５側へ引き込まれ、イオンアシストによりエッチングの異方性が高められる。
【００４０】
このように、上部電極２１に印加する高周波の周波数を２７ＭＨｚよりも高くすることにより、プラズマ密度を上げることができるが、従来の上部電極構造では、印加周波数を上昇させた際の電極表面の径方向のインダクタンスの影響を受けて電極板下面での電界の不均一が生じる。
【００４１】
このような電界の不均一が生じる原因について図４および図５を参照して説明する。従来の電極２１′の電極板２３′は、比抵抗が０．０２Ω・ｍ程度であり、高周波電源から給電棒３３′を介して供給される高周波電流が高周波数化すると、表皮効果により電極の極表面にしか電力が供給されず、図４に示すように、高周波電力は給電棒３３′の表面、電極支持体２２′の上面、電極支持体２２′の側面、電極板２３′の側面を通ってプラズマ接触面である電極板２３′の下面に達する。この場合に、給電棒３３′は上部電極２１′の中心に存在しているため、電極板２３′下面のエッジ部ではどこも電力が同じ位相であり、図５に示すように、電極板２３′のエッジ部から同位相で中心方向へ徐々に電力が供給されるため、電極板２３′の中心とエッジ部とで位相差ｄ／λ（λは電極表面波の波長、ｄは電極の半径）が生じる。印加周波数が高くなると、電極板２３′下面の径方向のインダクタンスを無視できなくなり、上記位相差による干渉作用によって、電極板２３′下面の中心部分の電界強度がエッジ部分の電界強度よりも高くなる。また、中心位置はプラズマと接しているため、ＲＦ等価回路的には開放端となっている。したがって、電極板２３′下面において中心部の電界が強くなって電界分布に定在波的な不均一が生じる。これによりプラズマへ供給される電界分布が不均一となり、不均一なプラズマが形成される。
【００４２】
これに対して、本実施形態においては、上部電極２１の第１の例として、上述の図２に示すように、電極板２３の裏面側の面の中央部に誘電体部材６１を設け、上部電極２１に供給される高周波電力の周波数において共振が生じかつその中に電極板２３に対して直交する電界が生じるように誘電体部材６１の寸法および誘電率が決定されるようにしており、上部電極２１の第２の例として、上述の図３に示すように、電極支持体２２の電極板２３の裏面側の中央部に空洞部６２を設け、上部電極２１に供給される高周波電力の周波数において共振が生じかつその中に電極板２３に対して直交する電界が生じるように空洞部６２の寸法が決定されるようにしている。このように誘電体部材６１または空洞６２に共振が生じて電極板２３に対して直交する電界が生じる場合には、誘電体部材６１または空洞部６２の電界と電極２３の電界とが結合し、誘電体部材６１または空洞部６２の電界によって、電極板２３における誘電体部材６１直下、すなわち電極中心部の電界を制御することができ、電極板２３の下面における電界分布を均一にして、もって均一なプラズマを形成することができる。
【００４３】
この点についてさらに詳細に説明する。
スキンデプスδが電極板２３の厚さよりも大きくなると、電界が電極板２３を透過する。例えば、高周波電力の周波数が６０ＭＨｚ、電極板２３の厚さが１０ｍｍの場合、比抵抗が０．１Ω・ｍ以上となるとスキンデプスδが１０ｍｍ以上となる。このとき第１の例の誘電体部材６１および第２の例の空洞部６２はいずれも導電体で囲まれた状態となる。このように導電体で囲まれた誘電体が存在するとその寸法および誘電率によって決められる周波数で共振が生じる。また、空洞の場合にも比誘電率１の誘電体として機能し、その寸法によって決められる周波数で共振が生じる。
【００４４】
例えば誘電体部材６１または空洞部６２が円盤状の場合、共振の周波数はその径と厚さによって決定される。ここで、電極板２３の裏面に高さＬ、半径ａの円筒形の空洞部を形成する場合を考えると、共振における角周波数ω０は以下の（２）式によって求められる。
（ω０／ｃ）２＝ｋｌ ２＋ｎ２π２／Ｌ２ ……（２）
ただし、ｃは媒質中の光速度、ｋｌはＴＥモード時のＪｍ′（ｋｌａ）＝０、ＴＭモード時のＪｍ（ｋｌａ）＝０ の根から求められる。ここで、Ｊｍはベッセル関数であり、Ｊｍ′はベッセル関数の微分である。
【００４５】
今、空洞部６２の共振を、ＴＭモードのうち、薄い円盤状の空洞の上下面に電界が直交し、円盤の中央で電界強度が最大となるＴＭ０１０モードで考えると、ｎ＝０でありｋｌａ＝２．４であるから、以下の（３）式が成り立つ。
ω０＝ｃｋｌ＝ｃ（２．４／ａ） ……（３）
【００４６】
共振周波数をｆ０とすると、ω０＝２πｆ０であるから、（３）式より以下の（４）式が成り立つ。
ｆ０＝（ｃ／２π）・（２．４／ａ） ……（４）
空洞部の媒質を真空とすると半径ａが１００ｍｍ程度では共振周波数ｆ０はＧＨｚオーダーとなる。
【００４７】
空洞部６２の代わりに誘電体部材６１を用いる場合には、共振周波数ｆ０は、上記（４）式のｃの代わりに、ｖ＝１／（εμ）１／２で表されるｖを用いた以下の（５）式で表される。
ｆ０＝（１／（（εμ）１／２・２π））・（２．４／ａ） ……（５）
ただし、εは誘電体部材６１の比誘電率、μは誘電体部材６１の透磁率である。
【００４８】
しかし、誘電体部材６１および空洞部６２は、抵抗体（高抵抗の電極）に囲まれているため、電磁波の伝搬速度が遅くなり、共振周波数は低くなる。また、ＴＭ０１０モードのＱ値は以下の（６）式で与えられ、本実施形態のようにスキンデプスδが大きい場合には、Ｑ値が小さくなる。
Ｑ＝１／δ｛（１／ａ）＋（１／Ｌ）｝ ……（６）
一方、誘電体部材６１または空洞部６２に形成される電界強度は、共振周波数ｆ０を中心として例えば図６のように分布するが、Ｑ値は、このグラフにおいて半値幅をΔｆとすると、以下の（７）式で表される。
Ｑ＝ｆ０／２Δｆ ……（７）
したがって、半値幅Δｆが大きいほどＱ値は小さくなる。つまり、スキンデプスδが大きくＱ値が小さい場合には、図６のグラフの半値幅Δｆが大きくなり、誘電体部材６１または空洞部６２に形成される電界強度分布がブロードになる。したがって、共振周波数ｆ０よりも極めて低い６０ＭＨｚ程度の周波数においてもＴＭ０１０の共振モードの電磁界が励起されてくると考えられる。
【００４９】
誘電体部材６１または空洞部６２内で共振が生じ、電極板２３に対して直交する電界が発生すると、誘電体部材６１または空洞部６２内部の電界と電極板２３表裏の電界とが結合する。この場合に、図７に示すように、誘電体部材６１または空洞部６２を設けない場合の電極板２３表面の電界強度をＥ０とし、電極板２３における誘電体部材６１または空洞部６２の存在する部分直下における電極板２３表面の電界強度をＥ１とし、誘電体部材６１または空洞部６２に発生する電界強度をＥ２とすると、代数的にＥ１＝Ｅ０＋Ｅ２と表すことができるから、電極板２３において、誘電体部材６１または空洞部６２の存在する部分直下の電界強度を他の部分よりも抑制することができる。この場合の電界強度Ｅ２は、誘電体部材６１または空洞部６２の厚さＬ、径ａ、電極板の比抵抗、誘電体部材の比誘電率等によって調整することが可能である。
【００５０】
このようにして誘電体部材６１または空洞部６２の電界を調整すれば、電極板２３における誘電体部材６１直下、すなわち電極中心部の電界を制御することができ、電極板２３の下面における電界分布を均一にすることができるのである。
【００５１】
このように、上記構造の上部電極２１を用いて、印加する高周波の周波数が上昇し、プラズマ密度が上昇した際に生じる電界分布の不均一の問題を解消することができるので、高密度でありながら均一なプラズマを形成することができる。したがって、本実施形態のようなプラズマエッチング装置の場合には、エッチングの均一性が向上し、一層のデザインルールの微細化に適切に対応することが可能となる。特に、印加周波数が２７ＭＨｚ以上で、プラズマ密度が１×１０１１個／ｃｍ３以上の場合に上記問題が生じやすく、以上のような上部電極構造はこのような場合に特に有効である。
【００５２】
次に、上部電極の電極板裏面に空洞部を形成した場合のシミュレーション結果について説明する。
まず、φ１４０ｍｍで厚さ１ｍｍの空洞部（真空）を形成した場合について、電極板の比抵抗をそれぞれ０．１Ω・ｍおよび０．９Ω・ｍにした場合における周波数と電界強度との関係についてシミュレーションした。その結果を図８に示す。図８は、横軸に周波数をとり、縦軸に空洞部形成部分における電界強度比Ｅ２／Ｅ０（図７参照）をとって、これらの関係を示すグラフである。この図から、比抵抗値を高くすることで空洞に発生する電界の割合が大きくなる周波数が低周波数側にシフトすることがわかる。
【００５３】
また、電極の比抵抗値および空洞部の径を変化させた場合における空洞部径と電極中心位置での電界の減衰との関係をシミュレーションした。この際に、高周波電力の周波数を６０ＭＨｚ、比誘電率εを１、空洞部の厚さを１ｍｍとした。その結果を図９に示す。図９は、横軸に空洞部の直径をとり、縦軸に電極板中心位置での電界減衰比Ｅ１／Ｅ０（図７参照）をとって、電極の比抵抗値を０．３、０．５，０．７５Ω・ｍとした場合におけるこれらの関係を示すグラフである。この図から、電極の比抵抗が高いほど、電極板中心位置における電界減衰能が大きく、しかも電界減衰がより小さい空洞部径から電界の減衰が生じていることが確認される。
【００５４】
さらにまた、空洞部の厚さを変化させたときの電極表面の電界強度分布をシミュレーションした。この際に、空洞部の直径を１４０ｍｍ、空洞部の比誘電率εを１、電極板の比抵抗を０．７５Ω・ｍ、周波数を６０ＭＨｚとした。その結果を図１０に示す。図１０は、横軸に電極中心からの距離をとり、縦軸に電極板の電界強度Ｅ１（図７参照）をとって、空洞部の厚さを変化させた場合の電界強度分布を示すグラフである。この図から、電界の抑制効果は電極中心から８０ｍｍまでの間で得られ、空洞部の厚さによって電界強度を抑制する効果が変化することがわかる。ここでは空洞部の厚さが０．３〜０．５ｍｍで効果が大きいという結果が得られた。
【００５５】
さらにまた、空洞部の代わりに誘電体部材を用い、誘電体の厚さを変化させたときの電極表面の電界強度分布をシミュレーションした。この際に、誘電体部材の直径を１４０ｍｍ、誘電体部材の比誘電率εを１０、電極板の比抵抗を０．７５Ω・ｍ、周波数を６０ＭＨｚとした。その結果を図１１に示す。図１１は、横軸に電極中心からの距離をとり、縦軸に電極板の電界強度Ｅ１（図７参照）をとって、誘電体部材の厚さを変化させた場合の電界強度分布を示すグラフである。この図から、電界の抑制効果は電極中心から６０ｍｍまでの間で得られ、空洞部の厚さによって電界強度を抑制する効果が変化することがわかる。ここでは誘電体部材の厚さが１〜３ｍｍと空洞部よりも厚い厚さ領域で効果が大きいという結果が得られた。
【００５６】
次に、本発明に基づいて作成した上部電極を用いて実験を行った結果について説明する。図１に示した装置を用い、電極板の比抵抗値を０．５Ω・ｍ、０．７５Ω・ｍとし、電極板裏面側の空洞部を形成しない電極、および空洞部の厚さを１ｍｍに固定してその径を５０ｍｍ、１００ｍｍ、１４０ｍｍ、２４０ｍｍとした電極を用いて２００ｍｍウエハの酸化膜をＣ４Ｈ８ガスでエッチングした。高周波電力の周波数は６０ＭＨｚとした。
【００５７】
その結果を図１２および図１３に示す。図１２および図１３は、それぞれ電極板の比抵抗が０．５Ω・ｍおよび０．７５Ω・ｍの場合におけるエッチングレート分布を示すグラフである。これらの図に示すように、電極板裏面に空洞部を形成しない場合には、ウエハの中央部でエッチングレートが高くなるが、電極板裏面に空洞部を形成することによりウエハ中央部でのエッチングレートが低下する傾向があることが確認された。そして、いずれの場合にも、空洞部の径が１４０ｍｍの場合に、エッチングレートがほぼ均一で、かつエッチングレートが高いことが確認された。
【００５８】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、上下電極に高周波を印加したが、上部電極のみに高周波を印加するタイプであってもよい。また、上部電極に２７〜１５０ＭＨｚの高周波を印加した場合について示したが、この範囲に限るものではない。さらに、被処理基板として半導体ウエハを用い、これにエッチングを施す場合について説明したが、これに限らず、処理対象としては液晶表示装置（ＬＣＤ）基板等の他の基板であってもよく、またプラズマ処理もエッチングに限らず、スパッタリング、ＣＶＤ等の他の処理であってもよい。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電極板の第２の電極側と反対側の面に設けられた導電性の支持体の中央部の凹部に誘電体部材を設け、供給される高周波電力の周波数において共振が生じ、かつその中に電極板に対して直交する電界が生じるように、誘電体部材の寸法もしくは誘電率が決定されるか、または電極板の第２の電極側と反対側の面に設けられた導電性の支持体の中央部に空洞部を設け、供給される高周波電力の周波数において共振が生じ、かつその中に電極板に対して直交する電界が生じるように、空洞部の寸法が決定されるが、このように誘電体部材または空洞部において共振が生じて電極板に対して直交する電界が発生する場合には、誘電体部材または空洞部の電界と電極の電界とが結合し、誘電体部材または空洞部の電界によって、電極板における誘電体部材直下または空洞部直下の電界強度、すなわち電極中心部の電界を制御することができる。したがって、電極表面の電界分布を均一にすることができ、プラズマの均一性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図。
【図２】上部電極の第１の例を模式的に示す断面図
【図３】上部電極の第２の例を模式的に示す断面図。
【図４】従来の上部電極における高周波電力の供給系路を模式的に示す断面図。
【図５】従来の上部電極における高周波電力の供給系路を模式的に示す底面図。
【図６】共振周波数とＱ値との関係を説明するためのグラフ。
【図７】電極板および誘電体部材または空洞部の電界強度を説明するための図。
【図８】周波数と電界強度比Ｅ２／Ｅ０との関係のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図９】空洞部の直径と電極板中心位置での電界減衰比Ｅ１／Ｅ０との関係のシミュレーション結果を、電極の比抵抗値を０．３、０．５，０．７５Ω・ｍとした場合について示すグラフ。
【図１０】空洞部の厚さを変化させた場合の電界強度分布を示すグラフ。
【図１１】誘電体部材の厚さを変化させた場合の電解強度分布を示すグラフ。
【図１２】電極板の比抵抗を０．５Ω・ｍとし、電極板裏面側の空洞部を形成しない電極、および空洞部の厚さを１ｍｍに固定してその径を５０ｍｍ、１００ｍｍ、１４０ｍｍ、２４０ｍｍとした電極を用いて２００ｍｍウエハの酸化膜をエッチングした場合のエッチングレート分布を示すグラフ。
【図１３】電極板の比抵抗を０．７５Ω・ｍとし、電極板裏面側の空洞部を形成しない電極、および空洞部の厚さを１ｍｍに固定してその径を５０ｍｍ、１００ｍｍ、１４０ｍｍ、２４０ｍｍとした電極を用いて２００ｍｍウエハの酸化膜をエッチングした場合のエッチングレート分布を示すグラフ。
【符号の説明】
１；プラズマ処理装置
２；チャンバー
５；サセプタ（第２の電極）
６；ハイパスフィルター
２１；上部電極（第１の電極）
２３；電極板
３０；処理ガス供給源
３５；排気装置
４０；第１の高周波電源
４２；ローパスフィルター
４１，５１；整合器
５０；第２の高周波電源
６１；誘電体部材
６２；空洞部
Ｗ；半導体ウエハ
Claims (6)
- チャンバー内に第１および第２の電極を互いに平行に設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ前記第１の電極に高周波電力を供給し、これら電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、このプラズマにより被処理基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記第１の電極は、第２の電極に対向するように設けられた、導電体または半導体で構成された電極板と、この電極板の第２の電極側と反対側の面に設けられ電極板を支持する導電性の支持体と、この支持体の中央部の凹部に設けられた誘電体部材とを有し、前記誘電体部材は、供給される高周波電力の周波数において共振が生じ、かつその中に電極板に対して直交する電界が生じるようにその寸法および誘電率が決定されることを特徴とするプラズマ処理装置。 - チャンバー内に第１および第２の電極を互いに平行に設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ前記第１の電極に高周波電力を供給し、これら電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、このプラズマにより被処理基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記第１の電極は、第２の電極に対向するように設けられた、導電体または半導体で構成された電極板と、この電極板の第２の電極側と反対側の面に設けられ電極板を支持する導電性の支持体と、支持体の中央部に設けられた空洞部とを有し、前記空洞部は、供給される高周波電力の周波数において共振が生じ、かつその中に電極板に対して直交する電界が生じるようにその寸法が決定されることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記電極板における以下の（１）式で表されるスキンデプスδが、電極板の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
δ＝（２ρ／ωμ）１／２ ……（１）
ただし、ω：高周波電力の角周波数（＝２πｆ（ｆ：周波数））、ρ：電極板の比抵抗、μ：電極板の透磁率 - 前記電極板の比抵抗が０．１Ω・ｍ以上であることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理装置。
- 前記電極板の比抵抗が、０．３〜０．７５Ω・ｍであることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ処理装置。
- 前記誘電体部材の比誘電率が１〜１０であることを特徴とする請求項１から請求項５に記載のプラズマ処理装置。
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